En grupp europeiska forskare ledda av forskare vid TU Delft har upptäckt hur fasövergångar fortplantar sig i material som kallas nickelater. Upptäckten förbättrar vår förståelse av dessa nya material, som potentiellt kan användas i framtida elektronik.

När du kokar vatten, du har förmodligen märkt att bubblor först börjar dyka upp runt kanterna. Fasövergångar uppstår alltid där förhållandena är mest gynnsamma, vid punkter som kallas kärnbildningscentra. När det gäller vattnet, kärnbildningscentrumen är kanterna på potten. Hur kärnbildningscentra visas på nanoskala, dock, har varit okänd tills nu.

Giordano Mattoni, doktorand vid TU Delft, ledde ett samarbete mellan forskare från fem olika europeiska institutioner som syftade till att få en grundläggande förståelse för hur fasövergångar fortplantas i en ny klass av material i fast tillstånd som kallas nickelater. I den specifika typ av nickelat som Mattoni och hans kollegor undersökte, fasövergången är dubbel. När temperaturen på materialet ändras, både de elektroniska och de magnetiska egenskaperna hos materialen förändras med det.

Att fasövergången är dubbel i detta material var redan välkänt. Men tills nu, det var oklart hur övergången skedde och vilka faktorer som påverkade processen på nanoskala. Genom att använda exakt avstämt röntgenljus som ett förstoringsverktyg för sin mikroskopi, Mattoni och hans kollegor kunde se övergången i fast tillstånd från det metalliska till det isolerande tillståndet ske i realtid. De fann att när materialet kyls ner, isolerande nanodomäner börjar gradvis dyka upp, tills materialet är täckt med små, isolerande ränder. "Utan en sådan högupplöst mikroskopi, det skulle ha varit omöjligt att se dessa domäner, säger Mattoni.

För sin forskning, Mattoni och kollegor avsatte den tunna nickelatfilmen på ett substrat. Hur materialet övergick från metall till isolator, det visar sig, var bunden till formen på substratytan, som i det här fallet såg ut som en risterrass. Om ytan hade fyrkantiga hål, till exempel, domänerna skulle ha varit formen av kvadrater. "Och eftersom vi kan forma substratytan, vi kan påverka formen på de isolerande domänerna, säger Mattoni.

Ytterligare forskning av Mattoni kommer att involvera användningen av en laser för att tvinga materialet att byta fas nästan omedelbart. Tanken är att ha nanostrukturer där både magnetism och konduktivitet kan slås på och av nästan omedelbart. Potentiell framtida elektronik kan till exempel, använda nickelatstrukturer som ljusstyrda ultrasnabba transistorer. I det långa loppet, denna upptäckt kan till och med leda till elektronik som efterliknar neurala nätverk i den mänskliga hjärnan.